DE102020101991B4 - Power supply unit and electrical machine with such a power supply unit - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungseinheit (200) für eine elektrische Maschine. Dabei umfasst die Stromversorgungseinheit (200): eine Vielzahl von Leitungsabschnitten (211a-n); eine erste maschinenvorderseitige leistungselektronische Schaltung mit einer Vielzahl von Halbbrücken (201a-n), welche ausgebildet ist, die Vielzahl von Leitungsabschnitten (211a-n) mit einem jeweiligen Strom zu beaufschlagen; und eine zweite maschinenrückseitige leitungselektronische Schaltung mit einer Vielzahl von bidirektionalen Schaltern (203aa-nn). Dabei weist die zweite maschinenrückseitige leitungselektronische Schaltung eine Matrixtopologie auf und ist ausgebildet, jeden der Vielzahl von Leitungsabschnitten (211a-n) über eine Vielzahl von Strompfaden, welche durch die Vielzahl von bidirektionalen Schaltern (203aa-nn) und Kombinationen davon definiert werden, mit allen anderen Leitungsabschnitten (211a-n) elektrisch leitend zu verbinden.The invention relates to a power supply unit (200) for an electrical machine. The power supply unit (200) comprises: a plurality of line sections (211a-n); a first machine-front power electronic circuit with a plurality of half bridges (201a-n) which is designed to apply a respective current to the plurality of line sections (211a-n); and a second machine rear line electronic circuit having a plurality of bidirectional switches (203aa-nn). The second electronic circuit on the back of the machine has a matrix topology and is designed to connect each of the plurality of line sections (211a-n) via a plurality of current paths which are defined by the plurality of bidirectional switches (203aa-nn) and combinations thereof to connect other line sections (211a-n) in an electrically conductive manner.
Description
Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungseinheit für eine elektrische Maschine, insbesondere einen elektrischen Motor, sowie eine elektrische Maschine mit einer solchen Stromversorgungseinheit.The invention relates to a power supply unit for an electrical machine, in particular an electrical motor, and an electrical machine with such a power supply unit.
Aus der
An der nicht mit einem Kurzschlussring versehenen Vorderseite der in der
Eine Weiterbildung der aus der
Weitere Stromversorgungseinheiten für eine elektrische Maschine sind aus der
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine verbesserte Stromversorgungseinheit für eine elektrische Maschine sowie eine solche elektrische Maschine bereitzustellen.Against this background, the object of the present invention is to provide an improved power supply unit for an electrical machine and such an electrical machine.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, die leistungselektronische Schaltung für die Maschinenrückseite mit einer Matrixtopologie auszubilden. Hierbei sind für jeden Leitungsstab bidirektionale Schalter für die Verbindung zu allen anderen Leitungsstäben vorgesehen. So können die Leitungsstäbe für einen festen Betriebspunkt auf der Maschinenrückseite dauerhaft verbunden werden. Lediglich beim Umschalten der Phasen- oder Polpaarzahl müssen die bidirektionalen Schalter angesteuert werden. Hierdurch werden die Schaltfrequenzen der Leistungselektronik und somit auch die Schaltverluste auf der Maschinenrückseite deutlich reduziert. Zudem weist diese Beschaltung im Vergleich zu bereits bekannten Topologien einen sehr hohen Freiheitsgrad auf, da die Stäbe beliebig miteinander verschaltet werden können.The present invention is based on the knowledge to design the power electronic circuit for the rear of the machine with a matrix topology. Here, bidirectional switches are provided for each line rod for the connection to all other line rods. In this way, the line rods can be permanently connected for a fixed operating point on the rear of the machine. The bidirectional switches only need to be activated when switching the number of phases or pole pairs. This significantly reduces the switching frequencies of the power electronics and thus also the switching losses on the rear of the machine. In addition, this connection has a very high degree of freedom compared to already known topologies, since the bars can be connected to one another as required.
Somit wird die Aufgabe gemäß einem ersten Aspekt durch eine Stromversorgungseinheit für eine elektrische Maschine gelöst, wobei die Stromversorgungseinheit umfasst: eine Vielzahl von Leitungsabschnitten; eine erste maschinenvorderseitige leistungselektronische Schaltung mit einer Vielzahl von Halbbrücken, welche ausgebildet ist, die Vielzahl von Leitungsabschnitten mit einem jeweiligen Strom zu beaufschlagen; und eine zweite maschinenrückseitige leistungselektronische Schaltung mit einer Vielzahl von bidirektionalen Schaltern. Dabei weist die zweite maschinenrückseitige leistungselektronische Schaltung eine Matrixtopologie auf und ist ausgebildet, jeden der Vielzahl von Leitungsabschnitten über eine Vielzahl von Strompfaden, welche durch die Vielzahl von bidirektionalen Schaltern und Kombinationen davon definiert werden, mit allen anderen Leitungsabschnitten elektrisch leitend zu verbinden. Aufgrund der Matrixtopologie der zweiten maschinenrückseitigen leistungselektronischen Schaltung ist ein erster Leitungsabschnitt (i) über einen ersten bidirektionalen Schalter mit einem zweiten Leitungsabschnitt verbindbar, (ii) über einen zweiten bidirektionalen Schalter mit einem dritten Leitungsabschnitt verbindbar und (iii) über den ersten bidirektionalen Schalter und einen dritten bidirektionalen Schalter mit dem dritten Leitungsabschnitt verbindbar.Thus, according to a first aspect, the object is achieved by a power supply unit for an electrical machine, the power supply unit comprising: a plurality of line sections; a first machine-front power electronic circuit with a plurality of half bridges, which is designed to apply a respective current to the plurality of line sections; and a second power electronic circuit on the back of the machine with a plurality of bidirectional switches. The second power electronic circuit on the rear of the machine has a matrix topology and is designed to connect each of the plurality of line sections to all other line sections in an electrically conductive manner via a plurality of current paths, which are defined by the plurality of bidirectional switches and combinations thereof. Due to the matrix topology of the second power electronics circuit on the back of the machine, a first line section (i) can be connected to a second line section via a first bidirectional switch, (ii) can be connected to a third line section via a second bidirectional switch and (iii) via the first bidirectional switch and a third bidirectional switch connectable to the third line section.
Gemäß einer Ausführungsform entspricht die Matrixtopologie der zweiten maschinenrückseitigen leistungselektronischen Schaltung einer Matrix, bei welcher Matrixelemente auf der Hauptdiagonalen der Matrix und Matrixelemente unterhalb oder oberhalb von der Hauptdiagonalen der Matrix einem jeweiligen bidirektionalen Schalter entsprechen.According to one embodiment, the matrix topology of the second power electronics circuit on the back of the machine corresponds to a matrix in which matrix elements on the main diagonal of the matrix and matrix elements below or above the main diagonal of the matrix correspond to a respective bidirectional switch.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist aufgrund der Matrixtopologie der zweiten maschinenrückseitigen leistungselektronischen Schaltung der erste Leitungsabschnitt (i) über einen vierten bidirektionalen Schalter mit einem vierten Leitungsabschnitt verbindbar, (ii) über den ersten bidirektionalen Schalter und einen fünften bidirektionalen Schalter mit dem vierten Leitungsabschnitt verbindbar, (iii) über den ersten bidirektionalen Schalter, den dritten bidirektionalen Schalter und einen sechsten bidirektionalen Schalter mit dem vierten Leitungsabschnitt verbindbar und (iv) über den zweiten bidirektionalen Schalter und den sechsten bidirektionalen Schalter mit dem vierten Leitungsabschnitt verbindbar.According to a further embodiment, due to the matrix topology of the second power electronic circuit on the back of the machine, the first line section (i) can be connected to a fourth line section via a fourth bidirectional switch, (ii) can be connected to the fourth line section via the first bidirectional switch and a fifth bidirectional switch, ( iii) connectable to the fourth line section via the first bidirectional switch, the third bidirectional switch and a sixth bidirectional switch and (iv) connectable to the fourth line section via the second bidirectional switch and the sixth bidirectional switch.
Die Stromversorgungseinheit kann ferner eine Gleichspannungsquelle umfassen, welche parallel mit der Vielzahl von Halbbrücken der ersten maschinenvorderseitigen leistungselektronischen Schaltung elektrisch leitend verbindbar ist, um die Leitungsabschnitte mit einem jeweiligen Strom zu beaufschlagen.The power supply unit can furthermore comprise a DC voltage source which can be connected in an electrically conductive manner in parallel to the plurality of half bridges of the first power electronic circuit on the front of the machine in order to apply a respective current to the line sections.
Ferner kann die Stromversorgungseinheit eine Steuereinheit umfassen, welche ausgebildet ist, jeden der Vielzahl von bidirektionalen Schaltern der zweiten maschinenrückseitigen leistungselektronischen Schaltung zu schalten. Dabei kann die Steuereinheit zur Ansteuerung der bidirektionalen Schalter wenigstens einen Ladungspumpen-Treiber umfassen.Furthermore, the power supply unit can comprise a control unit which is designed to switch each of the plurality of bidirectional switches of the second power electronic circuit on the rear of the machine. The control unit for controlling the bidirectional switches can include at least one charge pump driver.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinheit ausgebildet, bei einer Fehlfunktion eines bidirektionalen Schalters einen Schaltzustand wenigstens eines anderen bidirektionalen Schalters der zweiten maschinenrückseitigen leistungselektronischen Schaltung zu ändern, um den Betrieb der Stromversorgungseinheit aufrecht zu erhalten.According to one embodiment, the control unit is designed to change a switching state of at least one other bidirectional switch of the second power electronic circuit on the rear of the machine in the event of a malfunction of a bidirectional switch in order to maintain the operation of the power supply unit.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vielzahl von Leitungsabschnitten eine Vielzahl von parallel angeordneten Leitungsstäben, welche in Nuten eines Statorkerns eingebracht sind, um einen Stator der elektrischen Maschine auszubilden. Dabei können die Leitungsstäbe in Umfangsrichtung des Statorkerns gleichmäßig verteilt sein. Die Stromversorgungseinheit kann ferner eine Vielzahl von Potentialringen umfassen, welche ausgebildet sind, die Vielzahl von Leitungsstäben mit der Vielzahl von bidirektionalen Schaltern zu verbinden.According to a further embodiment, the multiplicity of line sections comprises a multiplicity of parallel-arranged line rods which are introduced into slots of a stator core in order to form a stator of the electrical machine. The line rods can be evenly distributed in the circumferential direction of the stator core. The power supply unit can furthermore comprise a multiplicity of potential rings which are designed to connect the multiplicity of conductor bars to the multiplicity of bidirectional switches.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Stromversorgungseinheit n Leitungsabschnitte und wenigstens m bidirektionale Schalter, wobei:
Die bidirektionalen Schalter können gegengleich parallel geschaltete IGBTs ohne Freilaudioden umfassen. Ebenso können die bidirektionalen Schalter auch gegengleich in Reihe geschaltete MOSFETs umfassen. Nachstehend werden die bidirektionalen Schalter daher teilweise auch als bidirektionale Halbleiterschalter bezeichnet. Dabei können die bidirektionalen Schalter im Bare-Die-Format ausgebildet sein.The bidirectional switches can include oppositely connected IGBTs in parallel without free audio diodes. Likewise, the bidirectional switches can also include MOSFETs connected in series in opposite directions. In the following, the bidirectional switches are therefore sometimes also referred to as bidirectional semiconductor switches. The bidirectional switches can be designed in bare die format.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine elektrische Maschine, insbesondere ein elektrischer Motor mit einer Stromversorgungseinheit nach dem vorstehend beschriebenen ersten Aspekt der Erfindung bereitgestellt.According to a second aspect of the invention, an electric machine, in particular an electric motor with a power supply unit according to the first aspect of the invention described above, is provided.
Somit ermöglichen Ausführungsformen der Erfindung durch die Anbindung einer Leistungselektronik mit Matrixtopologie auf der Rückseite der elektrischen Maschine, die Leitungsabschnitte beliebig miteinander zu verschalten. Dabei ist es ausreichend, die Leistungselektronik mittels der Steuereinheit nur dann zu schalten, wenn der Betriebsmodus der elektrischen Maschine (Phasen, Polpaarzahl oder andere Betriebsarten) geändert wird. Hierdurch werden Schaltverluste reduziert und eine elektrische Maschine mit einer höheren Zahl an Freiheitsgraden bereitgestellt.Thus, by connecting power electronics with a matrix topology on the rear side of the electrical machine, embodiments of the invention make it possible to interconnect the line sections with one another as desired. It is sufficient to switch the power electronics by means of the control unit only when the operating mode of the electrical machine (phases, number of pole pairs or other operating modes) is changed. This reduces switching losses and provides an electrical machine with a higher number of degrees of freedom.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren näher beschrieben. In den Figuren zeigen:
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1 eine Explosionsdarstellung von Komponenten eines Stators einer herkömmlichen elektrischen Maschine; -
2 eine schematische Darstellung einer Stromversorgungseinheit für eine elektrische Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einer leistungselektronischen Schaltung an der Vorderseite und einer leistungselektronischen Schaltung mit Matrixtopologie an der Rückseite der elektrischen Maschine; -
3 eine Draufsicht sowie eine Seitenschnittansicht der Anordnung einer Vielzahl von bidirektionalen Schaltern zum Ausbilden einer leistungselektronischen Schaltung mit Matrixtopologie an der Rückseite einer elektrischen Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
4 eine Draufsicht sowie eine Seitenschnittansicht der Anordnung einer Vielzahl von bidirektionalen Schaltern zum Ausbilden einer leistungselektronischen Schaltung mit Matrixtopologie an der Rückseite einer elektrischen Maschine gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; -
5 ein Balkendiagram, welches die Abhängigkeit der Anzahl der bidirektionalen Halbleiterschalter zum Ausbilden einer leistungselektronischen Schaltung mit Matrixtopologie an der Rückseite einer elektrischen Maschine von der Anzahl der Leitungsstäbe gemäß einem Ausführungsbeispiel illustriert; -
6a eine schematische Darstellung einer Stromversorgungseinheit für eine elektrische Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einer leistungselektronischen Schaltung an der Vorderseite und einer leistungselektronischen Schaltung mit Matrixtopologie an der Rückseite der elektrischen Maschine; -
6b ein Diagramm, welches unterschiedliche Arbeitsbereiche einer elektrischen Maschine mit der Stromversorgungseinheit von6a für unterschiedliche Polpaarzahlen zeigt; -
6c ein Diagramm, welches die Verteilung der Phasen und der Stromrichtungen in den Leitungsstäben der Stromversorgungseinheit von6a zeigt; -
6d die Stromversorgungseinheit von6a mit einer anderen Verschaltung der bidirektionalen Schalter der leistungselektronischen Schaltung mit Matrixtopologie zur Kompensation des Ausfalls eines bidirektionalen Schalters; -
7a eine schematische Darstellung einer Stromversorgungseinheit für eine elektrische Maschine gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel mit einer leistungselektronischen Schaltung an der Vorderseite und einer leistungselektronischen Schaltung mit Matrixtopologie an der Rückseite der elektrischen Maschine; -
7b ein Diagramm, welches unterschiedliche Arbeitsbereiche einer elektrischen Maschine mit der Stromversorgungseinheit von7a für unterschiedliche Polpaarzahlen zeigt; -
7c ein Diagramm, welches die Verteilung der Phasen und der Stromrichtungen in den Leitungsstäben der Stromversorgungseinheit von7a zeigt; -
8a eine schematische Darstellung einer Stromversorgungseinheit für eine elektrische Maschine gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel mit einer leistungselektronischen Schaltung an der Vorderseite und einer leistungselektronischen Schaltung mit Matrixtopologie an der Rückseite der elektrischen Maschine; -
8b ein Diagramm, welches unterschiedliche Arbeitsbereiche einer elektrischen Maschine mit der Stromversorgungseinheit von8a für unterschiedliche Polpaarzahlen zeigt; und -
8c ein Diagramm, welches die Verteilung der Phasen und der Stromrichtungen in den Leitungsstäben der Stromversorgungseinheit von8a zeigt.
-
1 an exploded view of components of a stator of a conventional electrical machine; -
2 a schematic representation of a power supply unit for an electrical machine according to an embodiment with a power electronic circuit on the front side and a power electronic circuit with a matrix topology on the rear side of the electric machine; -
3 a plan view and a side sectional view of the arrangement of a plurality of bidirectional switches for forming a power electronic circuit Matrix topology on the rear side of an electrical machine according to an exemplary embodiment; -
4th a plan view and a side sectional view of the arrangement of a multiplicity of bidirectional switches for forming a power electronic circuit with a matrix topology on the rear side of an electrical machine according to a further exemplary embodiment; -
5 a bar diagram which illustrates the dependency of the number of bidirectional semiconductor switches for forming a power electronic circuit with a matrix topology on the rear side of an electrical machine on the number of conductor bars according to an exemplary embodiment; -
6a a schematic representation of a power supply unit for an electrical machine according to an embodiment with a power electronic circuit on the front side and a power electronic circuit with a matrix topology on the rear side of the electric machine; -
6b a diagram showing different working areas of an electrical machine with the power supply unit of6a shows for different numbers of pole pairs; -
6c a diagram showing the distribution of the phases and the current directions in the conductor bars of the power supply unit of6a shows; -
6d the power supply unit of6a with a different interconnection of the bidirectional switches of the electronic power circuit with a matrix topology to compensate for the failure of a bidirectional switch; -
7a a schematic representation of a power supply unit for an electrical machine according to a further embodiment with a power electronic circuit on the front side and a power electronic circuit with a matrix topology on the rear side of the electric machine; -
7b a diagram showing different working areas of an electrical machine with the power supply unit of7a shows for different numbers of pole pairs; -
7c a diagram showing the distribution of the phases and the current directions in the conductor bars of the power supply unit of7a shows; -
8a a schematic representation of a power supply unit for an electrical machine according to a further embodiment with a power electronic circuit on the front side and a power electronic circuit with a matrix topology on the rear side of the electric machine; -
8b a diagram showing different working areas of an electrical machine with the power supply unit of8a shows for different numbers of pole pairs; and -
8c a diagram showing the distribution of the phases and the current directions in the conductor bars of the power supply unit of8a shows.
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beiliegenden Figuren Bezug genommen, die einen Teil hiervon bilden und in denen als Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeführt werden kann. Es versteht sich, dass auch andere Ausführungsformen genutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Konzept der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einem beschränkenden Sinne zu verstehen. Ferner versteht es sich, dass die Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch etwas anderes angegeben ist.In the following detailed description, reference is made to the accompanying figures, which form a part hereof, and in which there is shown, by way of illustration, specific embodiments in which the invention may be carried out. It goes without saying that other embodiments can also be used and structural or logical changes can be made without deviating from the concept of the present invention. The following detailed description is therefore not to be taken in a limiting sense. Furthermore, it goes without saying that the features of the various exemplary embodiments described herein can be combined with one another, unless specifically stated otherwise.
Die Aspekte und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen sich im Allgemeinen auf gleiche Elemente beziehen. In der folgenden Beschreibung werden zu Erläuterungszwecken zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein eingehendes Verständnis von einem oder mehreren Aspekten der vorliegenden Erfindung zu vermitteln.The aspects and embodiments of the present invention are described with reference to the figures, wherein like reference characters generally refer to like elements. In the following description, for purposes of explanation, numerous specific details are set forth in order to provide a thorough understanding of one or more aspects of the present invention.
Bei dem in
Wie in
Die Leistungselektronik auf der Rückseite der elektrischen Maschine umfasst ebenfalls eine Vielzahl von bidirektionalen Halbleiterschaltern, welche, wie nachstehend detaillierter beschrieben, eine Schaltung mit Matrixtopologie ausbilden und mit den Bezugsziffern
In vergrößerter Ansicht sind in
Wie in
Da, wie nachstehend detaillierter beschrieben, die bidirektionalen Halbleiterschalter
Wie bereits vorstehend beschrieben und wie in
Beispielsweise ist in
Die in
In den
Wie sich
Der Leitungsstab
Der Leitungsstab
Der Leitungsstab
Die in
Da bei der Ausführungsform von
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele beschrieben, bei denen die Stromversorgungseinheit
Für dieses Ausführungsbeispiel der Stromversorgungseinheit
In
In
Die
Die
Somit ermöglichen Ausführungsformen der Erfindung durch die Anbindung einer Leistungselektronik mit Matrixtopologie auf der Rückseite der elektrischen Maschine, die Leitungsstäbe
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